页岩气储层叠前地震反演方法研究

摘要

页岩气是赋存于泥岩或页岩中的天然气，作为常规油气资源的重要补给，对我国经济建设和能源安全具有重大意义。页岩气储层具有富含有机质、有效孔隙度低等地质特点及波动各向异性、应力延展性差等物理特征，增加了页岩气储层理论研究和技术应用的难度。叠前地震反演是页岩气储层识别与评价的有效手段，也面临着富有机质页岩地震响应机制不明确、地震各向异性显著和待反演参数多等挑战。开展页岩气储层叠前地震反演方法研究对页岩气资源勘探开发具有理论意义和实用价值。 粘土矿物、柔性孔隙和有机质等物性特征是引起页岩气储层地震各向异性的内在因素。从页岩气储层地质-地球物理特征出发，在室内观测数据和测井数据的标定下，利用各向异性自洽-微分等效介质理论和颗粒优势方位分布平均理论，构建了页岩固相基质的等效模型；并借助各向异性等效场理论引入了有机质对页岩宏观弹性性质的影响，实现了富有机质页岩的地震岩石物理建模，建立了反映有机质含量的页岩地震岩石物理量版图，为页岩气储层物性预测提供了理论支撑。 各向异性杨氏模量和泊松比反映了页岩气储层的岩石力学特征，是识别开发工程“甜点”的重要参数。本文从页岩横向各向同性本构方程出发，通过介质分解理论将各向异性本构矩阵表示为各向同性背景与和各向异性扰动；利用地震波扰动理论，推导了页岩气储层各向异性杨氏模量和泊松比的近似表征方程，建立了页岩气储层岩石模量参数和Thomsen地震各向异性参数间的量化关系，与实验测量数据对比证实了本文近似方程具有较高精度；利用广义正交各向异性岩石力学模型，借助线性滑移裂缝等效介质理论，建立了由本征各向异性参数和裂缝弱度参数表示的地应力近似方程，为页岩气储层各向异性岩石模量预测和可压裂性评价奠定了基础。 页岩气储层岩石模量和各向异性参数是页岩气有利区识别和开发评价中的关键参数。本文在反映页岩气储层岩石模量参数和各向异性参数的平面波反射近似方程的基础上，构建了页岩气储层等效正交各向异性介质中纵波反射系数正演算子。在贝叶斯叠前反演理论框架下，形成了基于方位反射系数方程的页岩气储层多参数叠前地震反演方法。针对从反射振幅中反演各向异性参数扰动量存在的不稳定性，本文发展了基于方位弹性阻抗的正交各向异性介质参数反演方法，实现了页岩气储层地震各向异性参数的直接反演，增强了多参数同时反演的稳定性。理论模型试算和实际资料试处理验证了本文方位叠前地震反演方法的合理性和实效性，为页岩气储层预测和评价提供了有效手段。 利用宽方位叠前地震资料建立页岩气储层多参数反演方法已成为一项前沿性研究课题。本文从页岩气储层地震岩石物理建模研究出发，探索了描述页岩气储层岩石力学性质与地应力状态的表征方法，开展了页岩气储层等效正交各向异性介质平面纵波反射方程的解析研究，进而发展了面向页岩气储层多参数预测的方位叠前地震反演方法，理论模型测试和实际应用初探说明了本文研究成果对页岩气储层识别与评价具有一定积极作用。

目录

声明

创新点摘要

第一章 绪论

1.1 研究背景和意义

1.2 研究历史与现状

1.2.1 页岩气储层地震岩石物理

1.2.2 页岩气储层岩石力学表征

1.2.3 方位叠前地震反演方法

1.3 论文研究内容

第二章 页岩气储层地震岩石物理建模方法

2.1 页岩气储层物性特征

2.1.1 页岩基质的矿物组成

2.1.2 页岩气储层孔隙与填充物特征

2.2 页岩气储层等效横向各向同性模型

2.2.1 页岩气储层地震各向异性

2.2.2 横向各向同性粘土基质

2.2.3 页岩本征各向异性等效模型

2.3 富有机质页岩气储层等效场模型

2.3.1 富有机质页岩各向异性等效场模型

2.3.2 富有机质页岩岩石物理量版

2.4 页岩气储层裂缝等效正交各向异性模型

2.4.1 线性滑移裂缝介质等效模型

2.4.2 含垂直裂缝的页岩等效模型

2.4.3 正交各向异性参数解耦方法

2.5 本章小结

第三章 页岩气储层各向异性岩石力学性质表征方法

3.1 页岩气储层岩石力学性质

3.1.1 页岩气储层岩石力学参数

3.1.2 页岩气储层力学各向异性

3.2 页岩气储层岩石脆性表征

3.2.1 相对脆性指示因子

3.2.2 页岩脆性实验测量

3.3 页岩气储层岩石模量表征方程

3.3.1 横向各向同性杨氏模量与泊松比

3.3.2 页岩气储层岩石模量近似方程

3.3.3 实际资料试算

3.4 页岩裂缝等效正交各向异性岩石力学模型

3.4.1 广义正交各向异性岩石力学模型

3.4.2 页岩裂缝等效正交各向异性力学模型

3.4.3 数值模拟与精度分析

3.5 本章小结

第四章 页岩气储层平面波反射特征方程

4.1 页岩气储层平面波反射/透射系数精确解

4.1.1 页岩气储层地震波相速度

4.1.2 平面波反射/透射系数精确解

4.1.3 理论模型试算

4.2 页岩气储层平面纵波反射近似方程

4.2.1 正交各向异性介质纵波反射近似方程

4.2.2 页岩裂缝等效正交各向异性近似方程

4.2.3 模型测试与精度分析

4.3 页岩气储层方位弹性阻抗方程

4.3.1 正交各向异性方位弹性阻抗

4.4 小结

第五章 页岩气储层方位叠前地震反演方法

5.1 贝叶斯叠前地震反演框架

5.1.1 贝叶斯理论

5.1.2 先验信息约束

5.1.3 反演目标函数

5.2 基于反射系数方程的方位叠前地震反演方法

5.2.1 方位反射系数正演算子

5.2.2 模型参数去相关

5.2.3 理论模型试算

5.2.4 实际资料试处理

5.3 基于弹性阻抗方程的方位叠前地震反演方法

5.3.1 方位弹性阻抗正演算子

5.3.2 方位弹性阻抗叠前地震反演方法

5.3.3 实际资料试处理

5.4 小结

结论与认识

附录A 横向各向同性介质中椭球形包含物的Eshelby张量

附录B 各向异性等效场模型的刚度张量解析求解

参考文献

攻读博士学位期间取得的研究成果

致谢

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